引用本文： 陶雨寒, 毛辉. 呼出气挥发性有机物在呼吸系统非感染性疾病中的应用. 中国呼吸与危重监护杂志, 2024, 23(8): 599-604. doi: 10.7507/1671-6205.202304046 复制
呼出气主要包含三种组分：气体分子、挥发物和冷凝物[1]。呼出气中含有超过1000种挥发性有机化合物（volatile organic chemicals，VOCs）[2]，可将其分为醇、醛、酮、饱和及不饱和烃、短链脂肪酸、芳香族化合物等。多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFA）的过氧化被认为是呼吸VOCs中烷烃和醛的主要来源，PUFA 非常容易氧化，即使不需要酶介导，也可在与氧气接触时形成氢过氧化物，脂质氢过氧化物可分解产生碳氢化合物、醛等，碳氢化合物可在肝脏中进一步代谢为醇。脂肪酸可通过脂肪酸还原酶在醇中进一步还原，或通过酶促反应转化为酮[3-4]，肠道细菌发酵可产生烷烃类化合物[5]，简言之VOCs通常是人体碳水化合物代谢、脂质代谢、氧化应激和肝细胞色素P450酶系以及肠道微生物中细菌的有氧和无氧酵解过程的最终产物[5]，细胞/组织产生相关的VOCs或溶解于血液中通过肺泡和毛细血管的快速交换呼出，或沿着呼吸道直接扩散到肺泡或气道腔中排出，因而呼出气中VOCs组成和含量的变化可反应机体潜在的病理状态。呼出气采样和分析具有无创、方便、快捷，可重复性高等特点。呼出气采样可分为直接采样法和间接采样法。直接采样法又称为“在线”采样，是直接将呼出气引入检测分析系统，对样品实时分析。间接采样法也称为“离线”采样，是将呼出气样品先储存起来后转移到分析仪器中进行分析。一般来说，呼出气采样方法的选择取决于所研究的疾病和采集样本的环境[6]。呼出气分析主要分为两大类，一类是可对呼出气VOCs进行成分分离和鉴定的质谱法，如：气相色谱-质谱法（Gas Chromatography-Mass Spectrometer，GC-MS）、液相-质谱法（liquid chromatograph-mass spectrometer，LC-MS）、二维气相色谱-质谱法（two-dimensional gas chromatography-mass spectrometry，GC×GC-MS）、二维气相色谱-高分辨飞行时间质谱法（two-dimensional gas chromatography-high resolution time-of-flight mass spectrometry，GC×GC-HRTOFMS）、质子转移反应质谱法（Proton-transfer-reaction mass spectrometry，PTR-MS）、热脱附-气相色谱-飞行时间质谱法（thermal desorption gas chromatographyTime of flight mass spectrometry，TD-GC-ToF-MS）、选择性离子流动管质谱法（selective ion flow tube mass spectrometry，SIFT-MS）、高气压光电离-飞行时间质谱法（high pressure photoionization time of flight mass spectrometry，HPPI-TOFMS）等，一类是将呼出气VOCs与传感器中预先编程的模式比较，进行模式识别的电子鼻技术（technique-electronic nose，eNose）。下面，仅就呼出气VOCs 在呼吸系统非感染性疾病诊断评估中的价值进行综述。
1 支气管哮喘
支气管哮喘（简称哮喘）是一种常见的异质性疾病[7]。医务人员面临的挑战不是诊断，而是基于患者潜在生理/病理学评估疾病的严重程度以及识别可治疗特征，对哮喘患者进行个体化治疗[8]。哮喘患者体内瘦素水平增加，瘦素以瘦素受体和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate，NADPH）氧化酶依赖的方式增加细胞内氧化应激[9]。碳氢化合物和醛类被认为是炎症过程引起的氧化应激的产物[4，10]，因此具有作为炎症过程的生物标志物的基础。呼出气中十四烷、2-戊酮、己醛、壬醛、癸醛等的含量及浓度检测可用于哮喘的诊断[11]，十二烷、5-己烯酸、辛醛、庚烷等可用于哮喘的分型分析[12]。eNose也广泛应用于哮喘诊断[13-14]、分型[15-16]。对于重症哮喘患者，炎症表型的准确评估，有助于特异治疗方案的选择。de Vries等[16]应用eNose对纳入278例哮喘和157例慢阻肺患者的组合样本进行基于炎症表型的分型并提供经过验证的聚类分析。Schleich等[17]采用GS-MS及GC×GC-HRTOFMS发现可用VOCs区分哮喘的不同炎症表型，其综合特异性和敏感性均优于FeNO和血嗜酸性粒细胞计数，提出壬醛、丙醇和己烷可作为中性粒细胞性哮喘的替代标志物。然而最近一项来自ALLIANCE队列的研究，Holz等[18]研究发现哮喘四种不同炎症表型患者之间呼出气VOCs没有显著差异。这也许是因为与哮喘相关的呼出气化合物的范围广泛，研究人员采取了不同的采样方法、患者情况和检测环境不尽相同，使得不同研究存在差异。呼出气VOCs分析不仅可用于哮喘炎症表型分型，还可用于监测哮喘患者治疗疗效。BrinKman等[19]的研究将呼出的挥发性有机化合物与尿液中的沙丁胺醇和口服糖皮质激素（OCS）的检测联系起来，通过GC-MS、LC-MS分别检测重症哮喘患者呼出的VOCs、尿液中沙丁胺醇及糖皮质激素的水平，提出呼出气中的VOCs（丁醛、丙酸甲酯、3-甲基丁醛、丁内酯、香芹酮、乙醇酸、辛醛、1-丙醇等）可能有助于哮喘患者药物摄入量和治疗有效性的监测。
表表 1
哮喘相关的VOCs
2 慢性阻塞性肺疾病
慢性阻塞性肺疾病（简称慢阻肺）是全球第三大死因，在70岁以下的人群中，近90%的慢阻肺死亡发生在低收入和中等收入国家[11]。虽然慢阻肺无法治愈，但早期诊断和治疗对于减缓症状的进展和降低急性加重的风险至关重要。慢阻肺其特征是氧化应激（oxidative stress，OS）和持续气道炎症的存在[21]，巨噬细胞功能障碍在慢阻肺的发病机制中发挥着重要作用。慢阻肺患者肺巨噬细胞苹果酸酶1（ME1）蛋白表达显著减少，ME1催化苹果酸可逆氧化脱羧为丙酮酸，并将NADP+转化为NADPH，增强还原型谷胱甘肽的还原能力，ME1的缺失使得氧化还原失衡，从而导致线粒体 活性氧（reactive oxygen species, ROS ）水平发生变化，以超氧阴离子和过氧化氢的形式释放更多的ROS，使得脂质过氧化增加[22]，同时OS水平受气道阻塞严重程度的影响，慢阻肺急性加重时，OS产生的炎症标志物水平随之升高[23]。呼出气中苯酚[24]、2-戊酮[25]、异戊二烯[26-27]、庚烷[27-28]、己醛[29]等可作为慢阻肺诊断的生物标志物。Pizzini等[30]采用热脱附-气相色谱-飞行时间质谱法（TD-GC-ToF-MS）对14例急性加重期慢阻肺患者、16例稳定期慢阻肺患者及24位健康对照者进行呼出气VOCs分析，发现正丁烷、环己酮、2-戊酮和4-庚酮在急性加重期慢阻肺中浓度升高，而正庚烷和甲基丙基硫醚对稳定期慢阻肺具有特异性。使用电子鼻通过呼出气VOCs分析以区分慢阻肺患者、健康对照者及其他肺疾病（肺癌、肺炎、OSA）也报道了较高的准确性[31–35]。Scarlata等[36]的研究得出不仅可根据呼出气VOCs模式对新诊断的慢阻肺进行分类，还发现使用支气管扩张剂后，VOCs的生成量下降，而经类固醇治疗后呼出气VOCs的组成发生了变化，从而提出呼出气VOCs分析也可用于慢阻肺治疗效果的监测。
表表 2
慢阻肺相关的VOCs
3 肺癌
肺癌是最常见的癌症死亡原因[37]。研究发现，通过避免危险因素和实施循证预防策略可预防30%-50%的癌症发生[37]，肺癌的早期发现对预后有着重要影响。癌细胞常常比正常细胞具有更高的ROS，抗氧化酶的减少和细胞内氧化剂的增加使得癌细胞中ROS水平升高。在肿瘤微环境中，参与肿瘤生长、扩散和转移的信号分子如血小板源性生长因子（PDGF）、整合素、粒细胞-巨噬细胞集落 刺激因子(GM-SF)、干扰素γ (IFN-γ )和转换生长因 子β (TGF-β )可以促进或抑制NOX-介导肿瘤相关免疫细胞中ROS的产生[38]，过高的ROS水平攻击细胞膜导致脂质过氧化，不饱和脂肪酸过氧化是VOC产生的重要途径。发表在JAMA的研究显示呼出气VOCs检测肺癌的敏感性、特异性分别为79%、89%[39]。Tsou等[40]采用选择性离子流动管质谱（SIFT-MS）对148例肺癌患者和168例健康人呼出的VOCs进行定量分析建立了准确性0.92，灵敏度0.96、特异性0.88、AUC0.98的预测模型。其他研究也报告了具有高灵敏度和特异性预测的诊断模型[41–45]。丙醇[40，46-47]、甲苯[40，42，44，47-48]、异戊二烯[49-50]、2-丁酮[51]、2-戊酮[43，52]、环己酮[52]、己醛[41，48，53]、庚醛[49, 52、辛醛[40，42]、壬醛[40–55]、丁烷[40，56]、环己烷[50，57]、乙酸乙酯[41，50]等是呼出气中潜在的肺癌标志物。采用呼出气分析与临床参数（如：年龄、性别、BMI、是否吸烟、是否同时患有慢阻肺等）相结合的逻辑回归方法可提高肺癌诊断的准确性[58]。eNose基于VOC模式识别以区分肺癌患者和非肺癌患者[59–61]。Chen等[62]的研究表明呼出气挥发性有机物分析不仅可区分肺癌患者与健康人，还可准确区分良性肺结节与肺癌，进行肺癌的分型、分期。基于挥发性有机化合物的探针通过肿瘤相关酶在恶性组织中选择性地转化以释放相应的VOC，该VOC扩散到血流中，在呼出气中释放，从而可在呼出气中检测到该VOC以此作为癌症的诊断工具[63]。β-葡萄糖醛酸酶基本上位于健康组织的细胞内，而选择性地积聚在许多实体瘤的微环境中，肺癌中β-葡萄糖醛酸酶活性升高[64]。Lange等[63]证明通过激活基于D5-乙基-β-D-葡糖苷酸（EtGlu）的VOC探针响应肿瘤特异性刺激，肿瘤组织中β-葡萄糖醛酸酶活性增高，该酶可特异性催化肿瘤组织中EtGlu裂解产生D5-乙醇，通过GC-HRMS可监测小鼠呼出气释放的D5-乙醇从而区分健康和荷瘤小鼠。利用恶性组织中靶向催化过程释放相应的VOC可以大大增加健康个体和患病个体的对比度。该研究首次强调了基于VOC的探针在癌症诊断中的潜力，这种方法还可以监测肿瘤生长及肿瘤对化疗的反应。
4 结节病
结节病是一种原因不明的以非干酪样坏死性上皮细胞肉芽肿为病理特征的系统性疾病，其临床表现复杂多样，可累及全身各系统，超过90%的结节病患者有肺部或胸腔淋巴结受累。在美国，每年大约每100万人中有3.5至4.3人主要由于肺部受累而死于结节病[65]，但目前结节病的诊断尚无客观标准[66]，呼出气VOCs分析或可为结节病的诊断提供新方向。一项纳入252例结节病、317例间质性肺疾病患者以及48位健康对照者的横断面研究中，van der Sar等[67]采用eNose对受试者呼出气进行分析以区分结节病、间质性肺疾病患者、健康对照者。eNose区分结节病与对照受试者、结节病与间质性肺疾病患者、间质性肺疾病与健康对照者的准确性均为100%。但该研究未纳入患有其他肉芽肿性疾病（如结核、感染性及化学性因素所致的肉芽肿等）的患者。Fijten等[68]的研究表明由异戊二烯、2-甲基戊烷、苯、3-甲基己烷、对苯醌、苯酚、D- 柠檬烯、碘甲基环戊烷、二苯并呋喃组成的九种化合物可以区分结节病患者和健康对照者。
5 特发性肺纤维化
特发性肺纤维化（IPF）是一种原因不明的慢性纤维化性间质性肺炎，以进行性呼吸困难和肺功能恶化为特征，预后不良[69]。研究发现IPF患者住院期间或出院后90天内的死亡风险比非住院期间增加了8倍[70]，因此早期识别IPF患者并采取相应的治疗对减缓疾病进展具有重要意义。IPF患者血清和肺泡灌洗液中鞘氨醇-1-磷酸S1P水平升高，升高的S1P通过激活肺成纤维细胞中的Hipp/YAP通路体调节线粒体活性氧（mtROS）产生，使得体内ROS自由基水平升高，产生氧化应激攻击细胞膜，引起细胞膜脂肪酸过氧化，产生VOC[4，71]。尽管呼出气VOCs用于IPF的研究有限，一些研究却给出了其在IPF诊断中的潜能。Wu等[72]采用博来霉素诱导的小鼠肺纤维化模型模拟特发性肺纤维化，通过电离飞行时间质谱仪（AI-TOFMS）对受试小鼠呼出气进行实时分析，实验结果表明，丙烯醛、乙醇、一氧化氮和氨这四种呼出气化合物可作为肺纤维化潜在的呼出气生物标志物。Plantier等[73]通过GC-tof–MS将53名IPF患者与51名对照者的呼出气VOC进行比较，认为乙醇、庚烷、苯醛（苯甲醛）、二甲基硫醚等，可将IPF患者与健康对照组区分开来，其准确度、灵敏度和特异性分别为84.6%、81.1%、88.2%。
6 其他
对新筛查工具的需求促进了呼出气分析在区分OSAS患者和对照者的应用。已经使用电子鼻进行了几项研究[74–76]，并证明在区分OSAS患者与健康对照以及慢阻肺患者方面具有良好的准确度。呼出气分析有望用于OSAS患者的广泛筛查和早期诊断，以及监测他们对C-PAP通气（持续气道正压通气）治疗的效果和依从性[77]。脂质过氧化在尘肺的发病机制中起着重要作用，脂质过氧化产生的戊烷和C5-C7甲基化烷烃构成尘肺病患者呼吸中的主要VOCs[78]。肺部病情加重是囊性纤维化患者的常见并发症，呼出气3，7-二甲基癸烷浓度与CF患者FEV1pp相关，可用于预测该类患者急性或亚急性临床恶化的发作[79]。呼出气VOCs被广泛用于探索人类健康和疾病期间的整体代谢变化。氧化应激是脂质过氧化最重要的触发因素，是大多数疾病发病机制的一部分。因此，非肺部疾病也会导致挥发性有机物呼出，如肺外癌症（胃癌、结直肠癌和乳腺癌）、糖尿病、慢性肝病、心血管疾病或局部炎症等。从解剖学角度来看，与非肺部疾病相比，肺部疾病可能是挥发性有机化合物呼出的更主要来源，但未来的研究应进一步深入阐明肺部和非肺部疾病对呼出气VOCs的贡献[80]。
7 呼出气VOCs分析可能的影响因素
呼出气VOCs中的某些化合物可能是由于收集、储存或测量过程中发生的污染、降解等人为因素产生的，同时年龄、性别、怀孕、药物、饮食、吸烟等，即使是轻微的运动也可能改变呼出气VOCs[81-82]，但目前尚无证据表明规定饮食和尽量减少运动可以提高呼出气生物标志物检测的重复性，研究表明大部分差异仍归因于机体健康状况本身，即疾病与健康状态[82]，严格避免所有潜在的混杂因素可能不值得提倡，但应特别考虑外源性挥发性有机化合物和环境污染等背景因素。呼出气VOCs中的许多挥发性有机物与多种临床疾病状态相关联，因此，一种疾病不太可能通过单一挥发性有机物来表征，大量的VOC使得呼出气VOCs谱成为可能，与单一生物标志物相比，呼出气VOCs谱可以更可靠地识别临床情景。
8 总结与展望
不同疾病其呼出气中挥发性有机化合物的组成和浓度有所不同，呼出气分析应用于呼吸系统疾病诊断，疾病表型分型、严重程度及疗效评估方面具有极大的应用前景。但目前呼吸分析缺乏标准化的方法来评估所获得结果的可靠性及其与疾病的相关性，呼出气挥发性有机物在呼吸系统疾病的临床应用仍然具有挑战性，各种研究实施的呼吸采样程序、研究设计和数据分析方法存在很大的差异，导致结果不一致。需要统一和可重复的呼吸采样的标准化协议。模型开发、规范和更新的透明度至关重要。然而，随着更多的研究和发展，呼出气挥发性有机物分析可能成为呼吸系统疾病早期检测的简单工具。
利益冲突：本文不涉及任何利益冲突。
呼出气主要包含三种组分：气体分子、挥发物和冷凝物[1]。呼出气中含有超过1000种挥发性有机化合物（volatile organic chemicals，VOCs）[2]，可将其分为醇、醛、酮、饱和及不饱和烃、短链脂肪酸、芳香族化合物等。多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFA）的过氧化被认为是呼吸VOCs中烷烃和醛的主要来源，PUFA 非常容易氧化，即使不需要酶介导，也可在与氧气接触时形成氢过氧化物，脂质氢过氧化物可分解产生碳氢化合物、醛等，碳氢化合物可在肝脏中进一步代谢为醇。脂肪酸可通过脂肪酸还原酶在醇中进一步还原，或通过酶促反应转化为酮[3-4]，肠道细菌发酵可产生烷烃类化合物[5]，简言之VOCs通常是人体碳水化合物代谢、脂质代谢、氧化应激和肝细胞色素P450酶系以及肠道微生物中细菌的有氧和无氧酵解过程的最终产物[5]，细胞/组织产生相关的VOCs或溶解于血液中通过肺泡和毛细血管的快速交换呼出，或沿着呼吸道直接扩散到肺泡或气道腔中排出，因而呼出气中VOCs组成和含量的变化可反应机体潜在的病理状态。呼出气采样和分析具有无创、方便、快捷，可重复性高等特点。呼出气采样可分为直接采样法和间接采样法。直接采样法又称为“在线”采样，是直接将呼出气引入检测分析系统，对样品实时分析。间接采样法也称为“离线”采样，是将呼出气样品先储存起来后转移到分析仪器中进行分析。一般来说，呼出气采样方法的选择取决于所研究的疾病和采集样本的环境[6]。呼出气分析主要分为两大类，一类是可对呼出气VOCs进行成分分离和鉴定的质谱法，如：气相色谱-质谱法（Gas Chromatography-Mass Spectrometer，GC-MS）、液相-质谱法（liquid chromatograph-mass spectrometer，LC-MS）、二维气相色谱-质谱法（two-dimensional gas chromatography-mass spectrometry，GC×GC-MS）、二维气相色谱-高分辨飞行时间质谱法（two-dimensional gas chromatography-high resolution time-of-flight mass spectrometry，GC×GC-HRTOFMS）、质子转移反应质谱法（Proton-transfer-reaction mass spectrometry，PTR-MS）、热脱附-气相色谱-飞行时间质谱法（thermal desorption gas chromatographyTime of flight mass spectrometry，TD-GC-ToF-MS）、选择性离子流动管质谱法（selective ion flow tube mass spectrometry，SIFT-MS）、高气压光电离-飞行时间质谱法（high pressure photoionization time of flight mass spectrometry，HPPI-TOFMS）等，一类是将呼出气VOCs与传感器中预先编程的模式比较，进行模式识别的电子鼻技术（technique-electronic nose，eNose）。下面，仅就呼出气VOCs 在呼吸系统非感染性疾病诊断评估中的价值进行综述。
1 支气管哮喘
支气管哮喘（简称哮喘）是一种常见的异质性疾病[7]。医务人员面临的挑战不是诊断，而是基于患者潜在生理/病理学评估疾病的严重程度以及识别可治疗特征，对哮喘患者进行个体化治疗[8]。哮喘患者体内瘦素水平增加，瘦素以瘦素受体和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate，NADPH）氧化酶依赖的方式增加细胞内氧化应激[9]。碳氢化合物和醛类被认为是炎症过程引起的氧化应激的产物[4，10]，因此具有作为炎症过程的生物标志物的基础。呼出气中十四烷、2-戊酮、己醛、壬醛、癸醛等的含量及浓度检测可用于哮喘的诊断[11]，十二烷、5-己烯酸、辛醛、庚烷等可用于哮喘的分型分析[12]。eNose也广泛应用于哮喘诊断[13-14]、分型[15-16]。对于重症哮喘患者，炎症表型的准确评估，有助于特异治疗方案的选择。de Vries等[16]应用eNose对纳入278例哮喘和157例慢阻肺患者的组合样本进行基于炎症表型的分型并提供经过验证的聚类分析。Schleich等[17]采用GS-MS及GC×GC-HRTOFMS发现可用VOCs区分哮喘的不同炎症表型，其综合特异性和敏感性均优于FeNO和血嗜酸性粒细胞计数，提出壬醛、丙醇和己烷可作为中性粒细胞性哮喘的替代标志物。然而最近一项来自ALLIANCE队列的研究，Holz等[18]研究发现哮喘四种不同炎症表型患者之间呼出气VOCs没有显著差异。这也许是因为与哮喘相关的呼出气化合物的范围广泛，研究人员采取了不同的采样方法、患者情况和检测环境不尽相同，使得不同研究存在差异。呼出气VOCs分析不仅可用于哮喘炎症表型分型，还可用于监测哮喘患者治疗疗效。BrinKman等[19]的研究将呼出的挥发性有机化合物与尿液中的沙丁胺醇和口服糖皮质激素（OCS）的检测联系起来，通过GC-MS、LC-MS分别检测重症哮喘患者呼出的VOCs、尿液中沙丁胺醇及糖皮质激素的水平，提出呼出气中的VOCs（丁醛、丙酸甲酯、3-甲基丁醛、丁内酯、香芹酮、乙醇酸、辛醛、1-丙醇等）可能有助于哮喘患者药物摄入量和治疗有效性的监测。
表表 1
哮喘相关的VOCs
2 慢性阻塞性肺疾病
慢性阻塞性肺疾病（简称慢阻肺）是全球第三大死因，在70岁以下的人群中，近90%的慢阻肺死亡发生在低收入和中等收入国家[11]。虽然慢阻肺无法治愈，但早期诊断和治疗对于减缓症状的进展和降低急性加重的风险至关重要。慢阻肺其特征是氧化应激（oxidative stress，OS）和持续气道炎症的存在[21]，巨噬细胞功能障碍在慢阻肺的发病机制中发挥着重要作用。慢阻肺患者肺巨噬细胞苹果酸酶1（ME1）蛋白表达显著减少，ME1催化苹果酸可逆氧化脱羧为丙酮酸，并将NADP+转化为NADPH，增强还原型谷胱甘肽的还原能力，ME1的缺失使得氧化还原失衡，从而导致线粒体 活性氧（reactive oxygen species, ROS ）水平发生变化，以超氧阴离子和过氧化氢的形式释放更多的ROS，使得脂质过氧化增加[22]，同时OS水平受气道阻塞严重程度的影响，慢阻肺急性加重时，OS产生的炎症标志物水平随之升高[23]。呼出气中苯酚[24]、2-戊酮[25]、异戊二烯[26-27]、庚烷[27-28]、己醛[29]等可作为慢阻肺诊断的生物标志物。Pizzini等[30]采用热脱附-气相色谱-飞行时间质谱法（TD-GC-ToF-MS）对14例急性加重期慢阻肺患者、16例稳定期慢阻肺患者及24位健康对照者进行呼出气VOCs分析，发现正丁烷、环己酮、2-戊酮和4-庚酮在急性加重期慢阻肺中浓度升高，而正庚烷和甲基丙基硫醚对稳定期慢阻肺具有特异性。使用电子鼻通过呼出气VOCs分析以区分慢阻肺患者、健康对照者及其他肺疾病（肺癌、肺炎、OSA）也报道了较高的准确性[31–35]。Scarlata等[36]的研究得出不仅可根据呼出气VOCs模式对新诊断的慢阻肺进行分类，还发现使用支气管扩张剂后，VOCs的生成量下降，而经类固醇治疗后呼出气VOCs的组成发生了变化，从而提出呼出气VOCs分析也可用于慢阻肺治疗效果的监测。
表表 2
慢阻肺相关的VOCs
3 肺癌
肺癌是最常见的癌症死亡原因[37]。研究发现，通过避免危险因素和实施循证预防策略可预防30%-50%的癌症发生[37]，肺癌的早期发现对预后有着重要影响。癌细胞常常比正常细胞具有更高的ROS，抗氧化酶的减少和细胞内氧化剂的增加使得癌细胞中ROS水平升高。在肿瘤微环境中，参与肿瘤生长、扩散和转移的信号分子如血小板源性生长因子（PDGF）、整合素、粒细胞-巨噬细胞集落 刺激因子(GM-SF)、干扰素γ (IFN-γ )和转换生长因 子β (TGF-β )可以促进或抑制NOX-介导肿瘤相关免疫细胞中ROS的产生[38]，过高的ROS水平攻击细胞膜导致脂质过氧化，不饱和脂肪酸过氧化是VOC产生的重要途径。发表在JAMA的研究显示呼出气VOCs检测肺癌的敏感性、特异性分别为79%、89%[39]。Tsou等[40]采用选择性离子流动管质谱（SIFT-MS）对148例肺癌患者和168例健康人呼出的VOCs进行定量分析建立了准确性0.92，灵敏度0.96、特异性0.88、AUC0.98的预测模型。其他研究也报告了具有高灵敏度和特异性预测的诊断模型[41–45]。丙醇[40，46-47]、甲苯[40，42，44，47-48]、异戊二烯[49-50]、2-丁酮[51]、2-戊酮[43，52]、环己酮[52]、己醛[41，48，53]、庚醛[49, 52、辛醛[40，42]、壬醛[40–55]、丁烷[40，56]、环己烷[50，57]、乙酸乙酯[41，50]等是呼出气中潜在的肺癌标志物。采用呼出气分析与临床参数（如：年龄、性别、BMI、是否吸烟、是否同时患有慢阻肺等）相结合的逻辑回归方法可提高肺癌诊断的准确性[58]。eNose基于VOC模式识别以区分肺癌患者和非肺癌患者[59–61]。Chen等[62]的研究表明呼出气挥发性有机物分析不仅可区分肺癌患者与健康人，还可准确区分良性肺结节与肺癌，进行肺癌的分型、分期。基于挥发性有机化合物的探针通过肿瘤相关酶在恶性组织中选择性地转化以释放相应的VOC，该VOC扩散到血流中，在呼出气中释放，从而可在呼出气中检测到该VOC以此作为癌症的诊断工具[63]。β-葡萄糖醛酸酶基本上位于健康组织的细胞内，而选择性地积聚在许多实体瘤的微环境中，肺癌中β-葡萄糖醛酸酶活性升高[64]。Lange等[63]证明通过激活基于D5-乙基-β-D-葡糖苷酸（EtGlu）的VOC探针响应肿瘤特异性刺激，肿瘤组织中β-葡萄糖醛酸酶活性增高，该酶可特异性催化肿瘤组织中EtGlu裂解产生D5-乙醇，通过GC-HRMS可监测小鼠呼出气释放的D5-乙醇从而区分健康和荷瘤小鼠。利用恶性组织中靶向催化过程释放相应的VOC可以大大增加健康个体和患病个体的对比度。该研究首次强调了基于VOC的探针在癌症诊断中的潜力，这种方法还可以监测肿瘤生长及肿瘤对化疗的反应。
4 结节病
结节病是一种原因不明的以非干酪样坏死性上皮细胞肉芽肿为病理特征的系统性疾病，其临床表现复杂多样，可累及全身各系统，超过90%的结节病患者有肺部或胸腔淋巴结受累。在美国，每年大约每100万人中有3.5至4.3人主要由于肺部受累而死于结节病[65]，但目前结节病的诊断尚无客观标准[66]，呼出气VOCs分析或可为结节病的诊断提供新方向。一项纳入252例结节病、317例间质性肺疾病患者以及48位健康对照者的横断面研究中，van der Sar等[67]采用eNose对受试者呼出气进行分析以区分结节病、间质性肺疾病患者、健康对照者。eNose区分结节病与对照受试者、结节病与间质性肺疾病患者、间质性肺疾病与健康对照者的准确性均为100%。但该研究未纳入患有其他肉芽肿性疾病（如结核、感染性及化学性因素所致的肉芽肿等）的患者。Fijten等[68]的研究表明由异戊二烯、2-甲基戊烷、苯、3-甲基己烷、对苯醌、苯酚、D- 柠檬烯、碘甲基环戊烷、二苯并呋喃组成的九种化合物可以区分结节病患者和健康对照者。
5 特发性肺纤维化
特发性肺纤维化（IPF）是一种原因不明的慢性纤维化性间质性肺炎，以进行性呼吸困难和肺功能恶化为特征，预后不良[69]。研究发现IPF患者住院期间或出院后90天内的死亡风险比非住院期间增加了8倍[70]，因此早期识别IPF患者并采取相应的治疗对减缓疾病进展具有重要意义。IPF患者血清和肺泡灌洗液中鞘氨醇-1-磷酸S1P水平升高，升高的S1P通过激活肺成纤维细胞中的Hipp/YAP通路体调节线粒体活性氧（mtROS）产生，使得体内ROS自由基水平升高，产生氧化应激攻击细胞膜，引起细胞膜脂肪酸过氧化，产生VOC[4，71]。尽管呼出气VOCs用于IPF的研究有限，一些研究却给出了其在IPF诊断中的潜能。Wu等[72]采用博来霉素诱导的小鼠肺纤维化模型模拟特发性肺纤维化，通过电离飞行时间质谱仪（AI-TOFMS）对受试小鼠呼出气进行实时分析，实验结果表明，丙烯醛、乙醇、一氧化氮和氨这四种呼出气化合物可作为肺纤维化潜在的呼出气生物标志物。Plantier等[73]通过GC-tof–MS将53名IPF患者与51名对照者的呼出气VOC进行比较，认为乙醇、庚烷、苯醛（苯甲醛）、二甲基硫醚等，可将IPF患者与健康对照组区分开来，其准确度、灵敏度和特异性分别为84.6%、81.1%、88.2%。
6 其他
对新筛查工具的需求促进了呼出气分析在区分OSAS患者和对照者的应用。已经使用电子鼻进行了几项研究[74–76]，并证明在区分OSAS患者与健康对照以及慢阻肺患者方面具有良好的准确度。呼出气分析有望用于OSAS患者的广泛筛查和早期诊断，以及监测他们对C-PAP通气（持续气道正压通气）治疗的效果和依从性[77]。脂质过氧化在尘肺的发病机制中起着重要作用，脂质过氧化产生的戊烷和C5-C7甲基化烷烃构成尘肺病患者呼吸中的主要VOCs[78]。肺部病情加重是囊性纤维化患者的常见并发症，呼出气3，7-二甲基癸烷浓度与CF患者FEV1pp相关，可用于预测该类患者急性或亚急性临床恶化的发作[79]。呼出气VOCs被广泛用于探索人类健康和疾病期间的整体代谢变化。氧化应激是脂质过氧化最重要的触发因素，是大多数疾病发病机制的一部分。因此，非肺部疾病也会导致挥发性有机物呼出，如肺外癌症（胃癌、结直肠癌和乳腺癌）、糖尿病、慢性肝病、心血管疾病或局部炎症等。从解剖学角度来看，与非肺部疾病相比，肺部疾病可能是挥发性有机化合物呼出的更主要来源，但未来的研究应进一步深入阐明肺部和非肺部疾病对呼出气VOCs的贡献[80]。
7 呼出气VOCs分析可能的影响因素
呼出气VOCs中的某些化合物可能是由于收集、储存或测量过程中发生的污染、降解等人为因素产生的，同时年龄、性别、怀孕、药物、饮食、吸烟等，即使是轻微的运动也可能改变呼出气VOCs[81-82]，但目前尚无证据表明规定饮食和尽量减少运动可以提高呼出气生物标志物检测的重复性，研究表明大部分差异仍归因于机体健康状况本身，即疾病与健康状态[82]，严格避免所有潜在的混杂因素可能不值得提倡，但应特别考虑外源性挥发性有机化合物和环境污染等背景因素。呼出气VOCs中的许多挥发性有机物与多种临床疾病状态相关联，因此，一种疾病不太可能通过单一挥发性有机物来表征，大量的VOC使得呼出气VOCs谱成为可能，与单一生物标志物相比，呼出气VOCs谱可以更可靠地识别临床情景。
8 总结与展望
不同疾病其呼出气中挥发性有机化合物的组成和浓度有所不同，呼出气分析应用于呼吸系统疾病诊断，疾病表型分型、严重程度及疗效评估方面具有极大的应用前景。但目前呼吸分析缺乏标准化的方法来评估所获得结果的可靠性及其与疾病的相关性，呼出气挥发性有机物在呼吸系统疾病的临床应用仍然具有挑战性，各种研究实施的呼吸采样程序、研究设计和数据分析方法存在很大的差异，导致结果不一致。需要统一和可重复的呼吸采样的标准化协议。模型开发、规范和更新的透明度至关重要。然而，随着更多的研究和发展，呼出气挥发性有机物分析可能成为呼吸系统疾病早期检测的简单工具。
利益冲突：本文不涉及任何利益冲突。
